La humilde abeja melífera puede usar símbolos para realizar operaciones matemáticas básicas, como sumas y restas, según muestra una nueva investigación publicada hoy (7 de febrero) en la revista Science Advances.
A pesar de tener un cerebro con menos de un millón de neuronas, la abeja melífera ha demostrado recientemente que puede resolver problemas complejos, como comprender el concepto del cero.
Las abejas melíferas son un modelo de gran valor para explorar cuestiones de neurociencia. En nuestro último estudio decidimos comprobar si podían aprender a realizar operaciones aritméticas sencillas, como sumas y restas.
Operaciones de suma y resta
Desde la infancia aprendemos que el símbolo de más (+) significa que debemos sumar dos o más cantidades, mientras que el símbolo de menos (-) significa que debemos restar cantidades entre sí.
Para resolver estos problemas necesitamos tanto la memoria a largo plazo como la memoria a corto plazo. Utilizamos la memoria de trabajo (a corto plazo) para manejar los valores numéricos mientras realizamos la operación, y almacenamos en la memoria a largo plazo las reglas para sumar o restar.
Aunque la capacidad de realizar operaciones aritméticas como sumar y restar no es sencilla, resulta vital en las sociedades humanas. Los egipcios y los babilonios muestran pruebas del uso de la aritmética alrededor del 2000 a. C., lo que habría sido útil, por ejemplo, para contar el ganado y calcular nuevas cifras cuando se vendían reses.
Pero ¿el desarrollo del pensamiento aritmético requiere un cerebro grande de primate o existen otros animales que se enfrentan a problemas similares y les permiten procesar operaciones aritméticas? Lo exploramos utilizando la abeja melífera.
Cómo entrenar a una abeja
Las abejas melíferas son recolectoras de lugar central, lo que significa que una abeja recolectora volverá a un lugar si este ofrece una buena fuente de alimento.
Durante los experimentos proporcionamos a las abejas una alta concentración de agua azucarada, por lo que las abejas individuales (todas hembras) siguen volviendo al experimento para recoger alimento para la colmena.
En nuestro montaje, cuando una abeja elige un número correcto (véase más abajo), recibe como recompensa agua azucarada. Si hace una elección incorrecta, recibe una solución de quinina de sabor amargo.
Utilizamos este método para enseñar a abejas individuales a aprender la tarea de sumar o restar en un periodo de cuatro a siete horas. Cada vez que la abeja se saciaba, regresaba a la colmena y después volvía al experimento para seguir aprendiendo.
Suma y resta en abejas
Las abejas fueron entrenadas individualmente para visitar un aparato con forma de laberinto en Y.
La abeja entraba por la entrada del laberinto en Y y observaba una serie de elementos compuesta por entre una y cinco formas. Las formas (por ejemplo, formas cuadradas, aunque en los experimentos reales se emplearon muchas opciones de formas) eran de uno de dos colores. El azul indicaba que la abeja debía realizar una operación de suma (+ 1). Si las formas eran amarillas, la abeja debía realizar una operación de resta (- 1).
En la tarea de sumar o restar uno, un lado contenía una respuesta incorrecta y el otro lado contenía la respuesta correcta. La posición de los estímulos se cambiaba aleatoriamente a lo largo del experimento, de modo que la abeja no aprendiera a visitar solo un lado del laberinto en Y.
Tras observar el número inicial, cada abeja atravesaba un orificio hacia una cámara de decisión, donde podía elegir volar hacia el lado izquierdo o derecho del laberinto en Y, según la operación para la que había sido entrenada.
Al inicio del experimento, las abejas hacían elecciones aleatorias hasta que descubrían cómo resolver el problema. Finalmente, tras más de 100 ensayos de aprendizaje, las abejas aprendieron que el azul significaba +1 y el amarillo, -1. Después, las abejas pudieron aplicar las reglas a nuevos números.
Durante las pruebas con un número nuevo, las abejas acertaron en la suma y resta de un elemento entre el 64 % y el 72 % de las veces. El rendimiento de las abejas en las pruebas fue significativamente distinto del que cabría esperar si eligieran al azar, lo que se denomina nivel de rendimiento por azar (50 % correctas/incorrectas).
Así, nuestra “escuela de abejas” dentro del laberinto en Y permitió a las abejas aprender a usar operadores aritméticos para sumar o restar.
¿Por qué es esta una cuestión compleja para las abejas?
Las operaciones numéricas, como la suma y la resta, son cuestiones complejas porque requieren dos niveles de procesamiento. El primer nivel exige que la abeja comprenda el valor de los atributos numéricos. El segundo nivel exige que la abeja manipule mentalmente los atributos numéricos en la memoria de trabajo.
Además de estos dos procesos, las abejas también debían realizar las operaciones aritméticas en la memoria de trabajo: el número “uno” que había que sumar o restar no estaba presente visualmente. Más bien, la idea de sumar uno o restar “uno” era un concepto abstracto que las abejas tenían que resolver a lo largo del entrenamiento.
Demostrar que una abeja puede combinar aritmética sencilla y aprendizaje simbólico ha identificado numerosas áreas de investigación en las que profundizar, como si otros animales pueden sumar y restar.
Implicaciones para la IA y la neurobiología
Existe un gran interés por la IA y por la capacidad de los ordenadores para aprender por sí mismos a resolver problemas nuevos.
Nuestros nuevos hallazgos muestran que es posible aprender operadores aritméticos simbólicos que permitan sumar y restar con un cerebro diminuto. Esto sugiere que podría haber nuevas formas de incorporar las interacciones entre las reglas a largo plazo y la memoria de trabajo en los diseños, con el fin de mejorar el aprendizaje rápido de nuevos problemas por parte de la IA.
Asimismo, nuestros hallazgos muestran que la comprensión de los símbolos matemáticos como un lenguaje con operadores es algo que probablemente muchos cerebros pueden lograr, y ayuda a explicar cómo muchas culturas humanas desarrollaron de forma independiente competencias numéricas.
